Взаимодействие электромагнитного излучения с атмосферой земли

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С АТМОСФЕРОЙ ЗЕМЛИ

В процессе зондирования излучение также проходит хотя бы частично через атмосферу Земли либо в одном направлении, либо в двух, когда регистрируется отраженное излучение — будь то естественного или искусственного происхождения. При каждом прохождении сквозь атмосферу излучение несколько ослабляется. Кроме того, как мы уже видели в п. 3.1.2 и на рис. 3.4, атмосфера имеет показатель преломления, отличающийся от единицы, так что излучение проходит через атмосферу со скоростью, отличной от скорости света в вакууме 299792458 м/с. Эти явления необходимо принимать во внимание как при учете соответствующих поправок в результаты измерений методом дистанционного зондирования, так и для изучения свойств самой атмосферы. Мы уже рассматривали их в общем виде при обсуждении уравнения переноса излучения (п. 3.4). В этой главе мы исследуем их более конкретно применительно к атмосфере.

4.1. Газовый состав и структура атмосферы

Основную часть сухой атмосферы на уровне моря составляют молекулы азота (около 78 % объема), кислорода (21 %) и инертного газа аргон (1 %). Имеется также значительное, но непостоянное количество водяных паров (от 0,1 % до 3 %), содержание которых характеризуется величиной относительной влажности Н. Она определяется уравнением:

(в десятых долях, или чаще в процентах), где р_п — парциальное давление водяных паров, которое можно определить как произведение общего атмосферного давления на долю объема, приходящуюся на водяные пары, а р_H(Т) — давление насыщенных водяных паров при температуре Т. На рис. 4.1. изображено изменение давления насыщенных водяных паров в зависимости от температуры. Например, при температуре 20 °С имеем Р_H = 2,34 кПа, так что при общем атмосферном давлении 100 кПа и относительной влажности 80 % доля объема водяных паров составляет 1,9 %

Кроме уже упомянутых газов атмосфера содержит переменную для разных регионов долю двуокиси углерода (сейчас около 0,035 % объема). Присутствие многих других газов измеряется миллионными долями. Табл. 4.1 содержит сводку нормального газового состава атмосферы.

Таблица 4.1. Газовый состав земной атмосферы (в третьей колонке указанадоля объёма газа на уровне моря, а в четвёртой колонке –  общая масса газа в атмосферном столбе.

.

Давление и плотность атмосферы падают с увеличением высоты над поверхностью Земли. Это происходит потому, что молекулы под действием силы тяжести опускаются, но тепловое возбуждение препятствует этому процессу. В результате устанавливается зависимость плотности от высоты, называемая распределением Больцмана, имеющим экспоненциальный вид. Однако параметры этой зависимости могут существенно изменяться, и поэтому принято делить атмосферу на несколько слоев. Нижний слой называется тропосферой (примерно от 0 до 11 км над поверхностью Земли), в которой температура падает с высотой. Над тропосферойрасполагается стратосфера (11—50 км), где температура примерно постоянна до 35 км, а затем начинает возрастать с высотой. Далее следуют слои мезосфера (50—80 км) и термосфера (выше 80 км). Указанные диапазоны высот соответствуют типичным условиям, свойственным умеренным географическим широтам, но они могут заметно отличаться для разных широт и в разные сезоны. На рис. 4.2 показаны изменения температуры, давления и плотности стандартной (для средних широт) атмосферы в зависимости от высоты.

Взаимозависимость абсолютной температуры Т, давления р и плотности атмосферы может быть представлена формулой:

где М_т — масса атмосферного газа в количестве 1 моль, a R — газовая постоянная (8,314 Дж/К). Данное уравнение основывается на предположении, что атмосфера представляет собой идеальный газ. На высоте выше 100 км значение М_т имеет более или менее постоянную величину порядка 0,02896 кг.

Атмосферное давление р на высоте z является мерой массы воздуха, а значит, и количества молекул, расположенных выше z. Это справедливо постольку, поскольку ускорение силы тяжести можно считать постоянным в диапазоне высот, на которых р имеет существенную величину, так что

где N(z') — молярная концентрация (количество молей на единицу объема) на высоте z '.  Например, на рис. 4.2, б показано, что на высоте 5,5 км давление составляет половину по сравнению с его значением на уровне моря, а на высоте 31 км — всего 1 %, т. е. можно сказать, что половина всей массы атмосферы сосредоточена ниже 5,5 км, а 99 % — ниже 31 км. Это значит, что спутниковые системы дистанционного зондирования практически пронизывают всю толщу атмосферы, а самолетные системы — только ее четверть. Зависимость давления от высоты можно с достаточным приближением представить экспоненциальным выражением: